為白光LED驅(qū)動(dòng)電路選擇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(圖)
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上傳人：admin 上傳時(shí)間： 2007-08-23 瀏覽次數(shù)： 712 |
白熾燈燈泡發(fā)展至今已接近極限，其95%的熱損耗使很多用戶大傷腦筋。相比之下，熒光燈的表現(xiàn)雖然稍微好點(diǎn)，但功耗浪費(fèi)仍高達(dá)80%。這兩種技術(shù)均無法與白光LED同日而語，其在理論上已具備80%以上的能效水平。不僅如此，LED的使用壽命也要比傳統(tǒng)的光源長得多。因此，隨著一般照明應(yīng)用逐漸轉(zhuǎn)入LED技術(shù)，能耗將會(huì)得以極大地降低。據(jù)美國能源部最近的研究預(yù)測，白光LED將在2025年得到廣泛采用，全球的電力消耗將會(huì)降低10%，可節(jié)省高達(dá)100億美元的電費(fèi)。
盡管白光LED優(yōu)點(diǎn)很多，但LED驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)卻面臨著重大挑戰(zhàn)。空間限制的要求和散熱的要求都對設(shè)計(jì)有所限制。最后，設(shè)計(jì)師們還必須認(rèn)真考慮EMI要求對其設(shè)計(jì)的影響。
在低功率(≤3W)照明應(yīng)用中，設(shè)計(jì)師都使用了現(xiàn)成的非隔離式、基于電感的降壓式和升降式開關(guān)模式電源。本文將對這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，論述各自的優(yōu)缺點(diǎn)。
兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
圖1所示為配置為基本降壓式轉(zhuǎn)換器(圖1a)和基本升降壓式轉(zhuǎn)換器(圖1b)的LinkSwitch-TN器件。通過在單片IC上集成一個(gè)功率MOSFET、振蕩器、簡單的開/關(guān)控制、一個(gè)高壓開關(guān)電流源、頻率抖動(dòng)、逐周期電流限流及熱關(guān)斷電路，可以簡化轉(zhuǎn)換器階段的設(shè)計(jì)復(fù)雜度并減少元件數(shù)。LinkSwitch-TN器件可通過漏極引腳實(shí)現(xiàn)自供電，無需使用偏置電源及相關(guān)電路。它極具成本效益，可用來替代輸出電流小于或等于360mA的線性和電容降壓式非隔離電源，因此能夠提供出色的輸入電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率。與無源元件電源方案相比，它的效率更高，而功率因子則比電容降壓式方案高。
圖1 基本的LinkSwitch-TN結(jié)構(gòu)
圖1中所示的降壓式轉(zhuǎn)換器具有諸多優(yōu)點(diǎn)。首先，它可以最大化所選LinkSwitch-TN器件的可用輸出功率以及電感值。同時(shí)還可以降低電源開關(guān)和續(xù)流二極管的電壓應(yīng)力。此外，流經(jīng)輸出電感的平均電流要略低于同類升降壓式轉(zhuǎn)換器中的平均電流。
升降壓式轉(zhuǎn)換器與降壓式轉(zhuǎn)換器相比，其配置具有一大優(yōu)點(diǎn)，即輸出二極管與負(fù)載串聯(lián)。在降壓式轉(zhuǎn)換器中，如果MOSFET發(fā)生短路故障，輸入將直接與輸出相連。而在升降壓式轉(zhuǎn)換器中發(fā)生此類情況時(shí)，反向偏壓輸出二極管則會(huì)阻斷輸入和輸出之間的通路。
在這兩種轉(zhuǎn)換器中，AC輸入經(jīng)D1、D2、C1、C2、RF1和RF2整流濾波。兩個(gè)二極管可以增強(qiáng)輸入電涌承受能力和傳導(dǎo)EMI性能。設(shè)計(jì)師應(yīng)該使用可熔阻燃電阻作為RF1，但可以使用只具阻燃功能的電阻作為RF2。Linkswitch-TN器件中的開/關(guān)控制用于調(diào)節(jié)輸出電流。一旦進(jìn)入反饋(FB)引腳的電流超過49μA，MOSFET開關(guān)將被禁用，以便進(jìn)入下一開關(guān)周期。
降低熱量
設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)電路所面臨的主要挑戰(zhàn)是散熱問題。即使采用比白熾燈技術(shù)效率更高的技術(shù)，3W的電路也將會(huì)達(dá)到可危及器件完整性的溫度級別。而且，將驅(qū)動(dòng)電子器件集成到具有嚴(yán)格限制的標(biāo)準(zhǔn)GU10燈座中時(shí)也會(huì)遇到嚴(yán)峻的散熱挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)者解決該問題的唯一途徑便是將熱量傳導(dǎo)至燈泡的旋入式燈座上。在上述的拓?fù)鋱D中，LinkSwitch-TN器件中添加有一熱關(guān)斷電路，在結(jié)溫度超過142℃時(shí)可禁用功率MOSFET，從而防止LED遭受潛在的損壞。一旦結(jié)溫度下降75℃，MOSFET將自動(dòng)重新開啟。
與降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，升降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的效率要略低一些，這是因?yàn)楣β什粫?huì)在MOSFET開關(guān)每次打開時(shí)都傳輸?shù)捷敵龆?。因此，它產(chǎn)生的熱量比降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多。不過差別不太明顯。
為確保電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)符合熱調(diào)節(jié)要求，設(shè)計(jì)師將電源組件安裝到燈座中，然后測量LNK306DN源極引腳的溫度。在理想情況下，源極引腳的溫度不應(yīng)超出100℃。在25℃的室內(nèi)環(huán)境溫度下測量的結(jié)果表明，Vin值上升到265VAC時(shí)，源極引腳溫度將超過100℃。鑒于這些結(jié)果，設(shè)計(jì)師斷定可能對某些額外的散熱器有熱限制方面的要求，比如將LED散熱片放于U1 SO-8C封裝頂端。
控制EMI
LED驅(qū)動(dòng)電子器件電路必須符合嚴(yán)格的EN55022B/CISPR22B傳導(dǎo)EMI要求。鑒于開關(guān)IC的高開關(guān)頻率和GU10燈座有限的尺寸大小，這些要求給燈泡設(shè)計(jì)師又帶來了重大挑戰(zhàn)。在升降壓電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，EMI噪聲電流環(huán)路從MOSFET流向輸出二極管、輸出電容，然后返回輸入電容；而在降壓電路配置中，該電流環(huán)路從MOSFET流向續(xù)流二極管，然后返回輸入電容，因此較前者中的環(huán)路短。因此，上述情況導(dǎo)致在升降壓設(shè)計(jì)中略微降低噪聲要更困難。
為了符合行業(yè)EMI規(guī)范，工程師決定將驅(qū)動(dòng)電子器件分成兩個(gè)電路板：位于頂部的轉(zhuǎn)換器電路板與位于底部的輸入整流/EMI濾波器電路板（見圖2）。然后他們在兩個(gè)電路板之間放置法拉第屏蔽。電氣連接到轉(zhuǎn)換器電路板的屏蔽含有一個(gè)單面銅鉑區(qū)域PCB，后者的構(gòu)造尺寸與底部輸入整流/EMI濾波器電路板相同。使用本設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)3個(gè)LED，其測試結(jié)果顯示，傳導(dǎo)EMI在輸入電壓為230VAC的最差情況下約為7dBμV，低于行業(yè)EMI要求。
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